Расчетное обоснование модернизации сепараторов-пароперегревателей энергоблоков АЭС Легкоступова Вера Васильевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Опыт эксплуатации и модернизации СПП 12

1.1 Обзор конструкций и опыта эксплуатации СПП 12

1.1.1 Отечественные конструкции СПП 12

1.1.2 Зарубежные конструкции СПП 26

1.1.3 Перспективные конструкции СПП 32

1.2 Современный опыт модернизации СПП 34

1.3 Результаты обзора. Постановка задач исследования 41

Глава 2 Экспериментальные исследования СПП 44

2.1 Объекты и методика исследований 45

2.2 Исследования модели сепарационной части СПП-500-1 с жалюзийными пакетами Powervane на воздухо-водяном стенде 46

2.2.1 Исследования жалюзийного пакета Powervane 46

2.2.2 Исследования модели Perspex на воздухо-водяном стенде 47

2.3 Испытания модернизированных СПП-500-1 на Ленинградской и Смоленской АЭС 57

2.4 Исследования модели сепарационной части СПП-500-1 с перфорированными разделителями и предварительным сепаратором Powersep на воздухо-водяном стенде 61

2.5 Исследования модернизированных СПП-500-1 на Курской АЭС 69

2.6 Выводы по главе 2 72

Глава 3 Расчетные исследования СПП 74

3.1 Разработка методического комплекса 74

3.2 Численное моделирование сепарационной части СПП-500-1 с жалюзийными пакетами Powervane 79

3.2.1 Верификация расчетных моделей 79

3.2.2 Вычислительный эксперимент на натурной модели 82

3.3 Численное моделирование сепарационной части СПП-500-1 с перфорированными разделителями и предварительным сепаратором Powersep 88

3.3.1 Верификация расчетных моделей 88

3.3.2 Вычислительный эксперимент на натурной модели 93

3.4 Выводы по главе 3 101

Глава 4 Модернизация СПП энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 103

4.1 Предпосылки модернизации СПП 103

4.2 Описание проектов модернизации СПП 105

4.3 Расчетная оценка проектов модернизации СПП 108

4.4 Рекомендации по созданию перспективных конструкций СПП 110

4.5 Выводы по главе 4 111

Заключение 112

Список использованных источников 114

• Отечественные конструкции СПП
• Исследования модели Perspex на воздухо-водяном стенде
• Вычислительный эксперимент на натурной модели
• Вычислительный эксперимент на натурной модели

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время на АЭС в мире эксплуатируется 23 энергоблока с реакторами ВВЭР-440, 36 – с ВВЭР-1000 и 11 – с РБМК-1000. Турбины этих энергоблоков (К-220-44, К-1000-60 и К-500-65/3000 соответственно) работают на насыщенном паре и оснащены сепараторами-пароперегревателями (СПП) типа СПП-220М, СПП-1000 и СПП-500-1. СПП предназначены для осушки и перегрева влажного пара, поступающего из цилиндра высокого давления (ЦВД) в цилиндр низкого давления (ЦНД) турбины, с целью снижения эрозионного износа в проточной части ЦНД и повышения надежности ее работы, а также повышения экономичности турбины. Проектная влажность пара после осушки в сепараторе СПП должна быть не более 1%, однако в эксплуатации влажность превышает этот уровень, что влияет на надежность СПП, требует дополнительного расхода греющего пара и в конечном итоге сказывается на эффективности и надежности турбины.

Аппараты СПП-220М, СПП-1000 и СПП-500-1 были разработаны Подольским машиностроительным заводом (ЗиО) в 70-х годах прошлого столетия, и сегодня они требуют замены, либо модернизации в связи с пониженной надежностью и истечением проектного срока эксплуатации.

В 2007–2009 гг. в рамках программы АО «Концерн Росэнергоатом» на всех энергоблоках с РБМК-1000 на Ленинградской, Смоленской и Курской АЭС была проведена модернизация сепарационной части СПП-500-1 по проектам, выполненным ОАО «НПО ЦКТИ» совместно с немецкой фирмой Balcke Durr.

На Ленинградской и Смоленской АЭС были внедрены сепарационные блоки с жалюзийными пакетами Powervane (конструкции фирмы Balcke Durr). Обоснование проекта модернизации базировалось на результатах стендовых исследований. На Курской АЭС снижение влажности пара было опробовано с помощью предварительных сепараторов Powersep (фирмы Balcke Durr). При этом предварительных исследований на стендах проведено не было.

Результатом реализации обоих проектов модернизации СПП явилось достижение проектной влажности осушенного пара. Однако если СПП с пакетами Powervane показали надежную работу, то оснащение СПП предварительным сепаратором Powersep привело к резкому росту повреждений отдельных сепа-рационных блоков и потребовало проведения дополнительных исследований (в том числе на стенде) для поиска решения возникшей проблемы.

С развитием компьютерной техники появилась возможность численного моделирования сложных процессов, протекающих в СПП, для обоснования технологических и конструктивных решений по модернизации СПП на основе

современного программного обеспечения. Однако качество вычислительного эксперимента зависит от степени адекватности расчетных моделей, для верификации которых необходимо иметь опытные данные натурных экспериментов (на стендах или в промышленных условиях).

Цель работы – разработка методического комплекса, позволяющего исследовать гидродинамические и сепарационные процессы в СПП, обосновать и оптимизировать конструктивные и технологические решения при модернизации действующего оборудования и разработке перспективных аппаратов.

В качестве объектов исследования выбраны аппараты СПП-500-1, СПП-220М и СПП-1000.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и опыта модернизации СПП энергоблоков АЭС, и на этой основе обосновать постановку задач исследований.

2. Проанализировать и обобщить результаты экспериментальных исследований СПП-500-1 на стендах и в промышленных условиях, и на этой основе сформировать базу экспериментальных данных.

3. Разработать и верифицировать на экспериментальных данных методический комплекс для численного моделирования СПП.

4. На основе вычислительного эксперимента выявить особенности и влияние элементов конструкции на гидродинамические и сепарационные процессы в СПП-500-1.

5. Предложить проекты модернизации СПП-220М и СПП-1000.

6. Обобщить результаты исследований и разработать рекомендации по модернизации существующих и созданию перспективных конструкций СПП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

7. Разработан и верифицирован на экспериментальных данных методический комплекс (расчетные модели на базе программного продукта ANSYS CFX и база экспериментальных данных) для численного моделирования двухфазных потоков в СПП.

8. На основе вычислительного эксперимента установлены закономерности и выявлены особенности протекания гидродинамических процессов в сепара-ционной части СПП.

9. Создана база экспериментальных данных на основе обобщения и анализа результатов экспериментальных исследований гидродинамических и сепара-ционных процессов в СПП.

Практическая ценность работы определяется тем, что:

10. На основе аналитического обзора публикаций выявлены тенденции развития отечественных и зарубежных конструкций СПП для энергоблоков АЭС.

11. Разработанный методический комплекс позволяет на основе численного моделирования исследовать гидродинамические и сепарационные процессы в СПП, оптимизировать и обосновать конструктивные решения при модернизации действующего и создании новых конструкций СПП для АЭС.

3. В результате численного моделирования модернизированных
СПП-500-1 (Ленинградской, Смоленской и Курской АЭС) установлено влияние
элементов конструкции на характер протекания гидродинамических и сепара-
ционных процессов в СПП; полученные данные позволяют анализировать
условия работы аппаратов, а также обосновать мероприятия по повышению
надежности и эффективности работы оборудования.

4. Предложены проекты модернизации СПП-220М и СПП-1000 для АЭС с реакторами ВВЭР, целесообразность и эффективность которых подтверждена теплогидравлическими расчетами.

5. Разработаны рекомендации по модернизации существующих и созданию перспективных конструкций СПП.

Методы исследования: компьютерное моделирование, расчетные исследования, сбор, анализ и обобщение экспериментального материала.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методический комплекс (расчетные модели на базе программного продукта ANSYS CFX и базу экспериментальных данных) для численного моделирования двухфазных потоков в СПП АЭС; результаты верификации моделей на экспериментальных данных.

2. Результаты вычислительного эксперимента на натурных моделях СПП (закономерности и особенности протекания гидравлических процессов в сепа-рационных элементах СПП).

3. Рекомендации по модернизации существующих и проектированию перспективных конструкций СПП.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, планировании основных этапов работы. Диссертанту принадлежат: анализ и обобщение экспериментальных данных, разработка методического комплекса для численного моделирования, выполнение расчетов, анализ, интерпретация и обобщение результатов расчетных исследований.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается применением современных компьютерных средств численного моделирования

(программный комплекс ANSYS CFX, лицензия 420725) и подтверждается удовлетворительным согласованием результатов численного моделирования с известными экспериментальными данными, полученными в стендовых и эксплуатационных условиях.

Внедрение. Результаты работы использованы в ОАО «НПО ЦКТИ» при обосновании перспективных проектов модернизации СПП энергоблоков АЭС и учебном процессе в ФГАОУ ВО «СПбПУ» при подготовке бакалавров по направлению «Ядерная энергетика и теплофизика» и дипломированных специалистов по специальности «Ядерные реакторы и материалы».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку специалистов на Международных молодежных научных конференциях «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (г. Томск, 2015 и 2016); XXI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2015); IX и Х Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2015 и 2016); VII Международной научной конференции «Приоритеты мировой науки: эксперимент и научная дискуссия» (Северный Чарльстон, Южная Каролина, США, 2015); IX Международной научно-технической конференции «Энергия-2016» (г. Иваново, 2016); Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2016); XXIII Международной научной конференции «Ломоносов-2016» (Москва, 2016); V Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий» (Москва, 2016); X Международной мультидисципли-нарной конференции «Актуальные проблемы науки XXI века» (Москва, 2016); II Международной конференции «Инновационные подходы и современная наука» (Киев, 2016); VII Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2016» (г. Казань, 2016); VIII Международном школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, 2016); IV Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (г. Томск, 2016); VII Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2016); VI Российской молодежной научной школы-конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективнные технологии глазами молодежи» (г. Томск, 2016); конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» (Москва, 2017); VII научно-

практической конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли «КОМАНДА» (Санкт-Петербург, 2017) и ежегодных XLII–XLV Научно-практических конференциях с международным участием «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2013–2016) и научных семинарах ОАО «НПО ЦКТИ» (2016–2018).

Публикации. По результатам работы имеется 28 публикаций, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, 22 публикации в материалах конференций и научных изданиях и 1 учебное пособие.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 71 источник, и четырех приложений. Она изложена на 120 страницах основного текста, имеет 104 рисунка и 28 таблиц. Общий объем диссертации – 172 с.

Отечественные конструкции СПП

История атомной энергетики в нашей стране начинается 27 июля 1954 года с пуском первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске. Развитие атомной энергетики пошло по двум направлениям. Первое основывается на реакторах канального типа с кипящим водным теплоносителем и графитовым замедлителем: первоначальное название – реактор типа АМБ – «атом мирный большой»; позднее появилось – реактор большой мощности канальный (РБМК). Второе направление базируется на реакторах корпусного типа, в котором вода под давлением является и замедлителем, и теплоносителем – водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР).

Типоразмерный ряд турбин насыщенного пара берт начало с турбоустановок АК-70-30 и АК-75-30, мощностью 70 и 75 МВт, соответственно, рассчитанных на давление 2,95 МПа, температуру 233С и начальную влажность не выше 1%. Эти турбины проектировались для I и II блоков НВАЭС и изготавливались на Харьковском турбогенераторном заводе ХТГЗ.

Турбины представляли собой одновальные двухцилиндровые (ЦВД и ЦНД) агрегаты конденсационного типа. Головной образец турбины АК-70-30 был выпущен в 1960 году [20]. Турбины этой серии не имели перегрева пара. Поэтому после повышения влажности пара за ЦВД до 1314% требовалось снизить его влажность перед ЦНД до уровня не выше 1%. Это было необходимо для сведения к минимуму эрозионных повреждений лопаточного аппарата последних ступеней и повышения термического КПД турбоустановки.

Эффективных устройств для сепарации влаги из рабочего пара в проточной части турбины в тот период еще не было. Поэтому было принято решение о применении внешней сепарации в выносных сепарационных устройствах [21]. На первых этапах разработки выносных турбинных сепараторов в качестве возможной базы для их создания рассматривались результаты достаточно широких исследований, проводившихся в ЦКТИ, МОЦКТИ, МЭИ, ВТИ и ряде других организаций, по сепарации влаги из пара применительно к условиям, имеющим место в котельных агрегатах.

Зарубежные фирмы тоже проводили исследования по созданию выносных сепараторов для влажнопаровых турбоустановок АЭС, однако работы эти были закрытыми. Исследователям и конструкторам ЦКТИ пришлось искать решение этой важной проблемы самостоятельно [22]. Принципиальная схема вертикальных выносных жалюзийных сепараторов для турбоустановок 7075 МВт в 1954 году была предложена и запатентована [69] сотрудниками ЦКТИ К.А. Блиновым и Ю.В. Лабинским. Конструкция первого сепаратора для турбины НВАЭС представлена на рисунке 1.1. Сепаратор состоит из следующих узлов: корпуса 1 (с внутренним диаметром 2,5 м), конического раздающего жалюзийного коллектора 2 и вертикального жалюзийного сепаратора 3 (с внешним диаметром 2,23 м).

Корпус имеет верхнее и нижнее конические днища 5 и 6. Верхнее днище по малому диаметру соединяется с патрубком подвода влажного пара А из ЦВД турбины, а по большому – с обечайкой корпуса. На этом днище имеется патрубок Б отвода осушенного пара. Коллектор 2 в нижней части снабжен трубой 7, по которой в водяной объем сепаратора поступает часть влаги, отсепарированной внутренними поверхностями образующих его штампованных (сварных) конических воронок-жалюзи. Основной рабочий объем сепаратора образован верхней крышкой 8, паросборным цилиндром 4 и нижним внутренним коническим днищем 9, к которому приварен патрубок 10. Патрубок 11 вместе с наружным коническим днищем 6 образуют водяной объем сепаратора. Нижние концы входящих в него концентрически расположенных относительно друг друга патрубков 7 и 10 создают систему гидрозатворов между основными зонами аппарата, в которых осуществляется процесс сепарации влаги. Гидрозатворы препятствуют проходу осушаемого пара мимо сепарирующих элементов – коллектора 2 и сепаратора 3. Отвод отсепарированной влаги осуществляется через патрубок В. В паросборном цилиндре 4 для прохода пара сделано около 10500 отверстий диаметром 10 мм. Они расположены на горизонтальных окружностях, шаг между которыми постоянно уменьшается с 51 мм между верхними рядами отверстий до 25,6 мм между их нижними рядами. Это способствует выравниванию распределения расходов влажного пара по высоте рабочего объема сепаратора и скоростей пара на входе в жалюзийный сепаратор 3.

Процесс влагоотделения в сепараторе происходит следующим образом. В коллекторе 2 начинается процесс разделения пара и влаги вследствие снижения скорости движения пара в нем. Выделившаяся на этом участке влага стекает в водяной объем сепаратора, а пар поступает в каналы переменных направлений, образованных коническими воронками-жалюзи, которые и составляют коллектор. При движении влажного пара по этим каналам происходит первичная («грубая») сепарация капельной влаги. После коллектора пар по радиальным траекториям движется с быстро уменьшающимися скоростями от центра аппарата к расположенному по периферийной окружности вертикальному жалюзийному сепаратору 3, в котором и происходит окончательная сепарация капельной влаги из пара. Осушенный пар отводится из кольцевого пространства, образованного корпусом 1 и паросборным цилиндром 4. Конструкция первого сепаратора прошла поэтапную отработку конструкции – были проведены испытания на воздухо-водяном и паровом стендах, а также промышленные испытания натурного сепаратора [21, 22].

Опыт эксплуатации этих аппаратов на турбинах АК-70-30 (три машины) I блока НВАЭС, турбинах АК-75-30 (пять машин) II блока НВАЭС и АЭС Норд в ГДР в течение 140–150 тыс. ч (всего 16 аппаратов) таков [22]: замечаний к работе аппаратов не было; необходимости проведения ремонтов (включая внеплановые ремонтные работы на данном оборудовании) в процессе всего периода эксплуатации не возникало.

После вывода из эксплуатации I и II энергоблоков НВАЭС и демонтажа аппаратов замечаний по их состоянию не было. Визуальный осмотр состояния наружной и внутренней поверхностей каждого из входных жалюзийных коллекторов сепараторов показал, что следов коррозии и эрозии металла нет, солевые отложения на металлических поверхностях отсутствуют. На рисунке 1.2 показан внешний вид после демонтажа конического восьмигранного входного коллектора, на котором осуществлялась предварительная сепарация, а на рисунке 1.3 – укрупненный внешний вид его жалюзийных элементов.

Не обнаружено следов коррозии и эрозии металла, солевых отложений и иных повреждений при осмотрах других важных элементов конструкции: кольцевых сепараторов, внутри которых проходят трубы отвода сепаратора (см. рисунок 1.4), дырчатых листов (перфорированной цилиндрической стенки внутреннего корпуса) и собственно корпусов сепараторов.

Приведенный пример конструкции сепаратора свидетельствует о высоком качестве разработки конструкции, правильной организации рабочего процесса разделения фаз, подтвержденной на модельных и натурных экспериментах, удачной компоновке аппаратов на площадке обслуживания турбины.

В начале 70-х годов начинают применять СПП в мощных быстроходных турбинах. В СПП сепарация влаги объединяется с перегревом пара в одном аппарате. В тихоходных турбинах считается возможным ограничиться только промежуточной сепарацией без перегрева. Первые отечественные СПП представляли собой двухкорпусную конструкцию: в одном корпусе совмещены сепаратор и первая ступень пароперегревателя, а во втором – вторая ступень пароперегревателя. Данную конструкцию имел СПП-220 для турбины К-220-44 (ХТГЗ) [18].

Строительство атомных электростанций с водоохлаждающими реакторами потребовало создания турбин большой единичной мощности. Специфичность этих турбин обусловлена сравнительно низкими параметрами острого пара: установленные на Ленинградской АЭС (ЛАЭС) турбины К-500-65/3000 мощностью 500 МВт имеют абсолютное давление насыщенного пара на входе 6,5 МПа. Для турбин, работающих на влажном паре, внешняя сепарация с промежуточным перегревом пара является необходимым условием обеспечения допустимой влажности в проточной части ЦНД.

К конструкции СПП предъявляется ряд технических и эксплуатационных требований: минимальный паровой объм при максимальной тепловой мощности, простота эксплуатации и ремонта, доступность промывки и консервации, возможность контроля плотности и обнаружения дефектов и т.п. С учетом этих требований в ЦКТИ был проведен широкий комплекс работ по проектированию, экспериментальному обоснованию и отработке СПП для турбин АЭС [23]. В результате был создан аппарат СПП-500 (конструкции ЦКТИ), обладающий большой компактностью при минимальном сопротивлении и мощностью, которая обеспечивала установку на каждый выхлоп ЦВД турбины по одному СПП (т.е. четыре СПП на турбину).

Все основные конструктивные элементы СПП-500 были исследованы и отработаны на специальных экспериментальных стендах, испытания проводились как на моделях, так и на натурных элементах, включая испытания головного аппарата.

СПП-500 представляет собой (см. рисунок 1.5) однокорпусной вертикальный аппарат, в котором размещены трубные пучки двух ступеней перегрева и сепарационное устройство. Пучки в виде спиральных змеевиков располагаются концентрично относительно центральной оси аппарата: в центре размещается пучок 5 перегревателя II ступени, а вокруг него – пучок 4 перегревателя I ступени. Сепарационное устройство, состоящее из пакетов 6 жалюзийных сепараторов и установленных перед ними (по ходу нагреваемого пара) направляющих лопаток 2, размещается по кольцу вокруг пучка I ступени перегревателя. Такая схема размещения сепаратора обеспечивает получение приемлемой скорости пара на жалюзи, отвечающей высококачественной сепарации. Как показали исследования, жалюзийные сепараторы СПП-500 работают в условиях 30%-ного запаса по нагрузке.

Исследования модели Perspex на воздухо-водяном стенде

Исследование модели Perspex (с жалюзийными пакетами Powervane) проводились на воздухо-водяном стенде (рисунок 2.2) с целью оптимизации распределения воздуха по сепарационным блокам СПП [51].

Модель Perspex выполнена из плексигласа и представляет собой модель (в масштабе 1:4) модернизированной сепарационной части СПП-500-1 (см. рисунок 1.16).

Схема размещения сепарационных элементов в модели Perspex показана на рисунке 2.3. В состав сепарационных элементов СПП входят 12 сепарационных блоков, равномерно распределенных по периметру аппарата, и дырчатый лист 4 (со степенью перфорации = 0,25), установленный на перекрытии сепарационных блоков. Сепарационный блок представляет собой два перфорированных листа (2 и 3), между которыми размещены жалюзийные пакеты Powervane 1.

В опытах листы 3, установленные по ходу потока после пакетов Powervane, имели постоянную степень перфорации ( = 0,28), в то время как у листов 2, установленных перед пакетами Powervane, степень перфорации изменялась в пределах от 0,14 до 0,4.

Опыты проводились на воздухе и воздухо-водяной смеси. В опытах на воздухе дырчатый лист на перекрытии сепарационных блоков отсутствовал.

Исследования модели Perspex проводились в пяти вариантах е конструктивного исполнения и были разбиты на пять этапов: четыре – на воздухе и один – на смеси (см. таблицу 2.1).

Характер перфорации отдельных листов, установленных на входе в сепарационные блоки, а также усредненные по блокам степени перфорации листов в вариантах конструктивного исполнения модели Perspex отражены в таблицах 2.2 и 2.3. В варианте модели Perspex PV-1 все листы на входе в сепарационные блоки имели равномерную и одинаковую степень перфорации = 0,28.

Общий расход воздуха на модель определялся с помощью насадка Вентури и поддерживался в опытах постоянным (в том числе и в опытах на смеси). Скорость воздушного потока измерялась с помощью анемометра на выходе из каждого сепарационного блока и затем усреднялась. Усредненная по блокам скорость воздушного потока изменялась в вариантах незначительно (в пределах 5,60 5,72 м/с).

В опытах на смеси вода распылялась в потоке воздуха с помощью форсунок. Отсепарированная в модели влага собиралась в ведра (см. рисунок 2.2).

Все опыты проводились при комнатной температуре, равной примерно 25С.

На первых трех этапах эксперимента исследовалось влияние степени перфорации дырчатых листов, установленных на входе в сепарационные блоки, на равномерность распределения воздушного потока по блокам.

На рисунке 2.6 приведено распределение среднерасходной скорости воздушного потока по сепарационным блокам в моделях Perspex PV-1 (при усредненной по блокам степени перфорации листов = 0,28), PV-2 ( = 0,27) и PV-3 ( = 0,23). Анализ экспериментальных данных показал, что переход к вариантам использования дырчатых листов с различной степенью перфорации позволяет выровнять распределение скоростей по блокам и снизить (см. таблицу 2.4) расхождение между значениями максимальной и минимальной скорости с 3,31 м/с (при = 0,28 в варианте PV-1) до 1,37 м/с (при = 0,23 в варианте PV-3).

Распределение скорости воздушного потока в безразмерном виде по сепарационным блокам моделей Perspex приведено на рисунке 2.7 (локальные значения скорости отнесены к усредненному по блокам значению).

Применение дырчатых листов с различной степенью перфорации и снижение усредненной по блокам степени перфорации листов привело к понижению (см. таблицу 2.4) коэффициента неравномерности а, подсчитанного по формуле (2.1), с а = 1,18 (при = 0,28 в варианте PV-1) до а = 1,05 (при = 0,23 в варианте PV-3). Зависимость коэффициента неравномерности а от степени перфорации листов показана на рисунке 2.8.

На четвертом этапе эксперимента исследовалось влияние условий подвода среды к входному патрубку модели Perspex на равномерность распределения воздушного потока по сепарационным блокам. Сравнение опытных данных, полученных на модели Perspex в вариантах PV-3 (с осевым подводом среды) и PV-4 (с углом подводом среды 28), показало (см. рисунок 2.9 и таблицу 2.4), что изменение угла подвода среды в исследованных границах незначительно влияет на равномерность распределения воздушного потока по сепарационным блокам: разница между максимальным и минимальным значениями скорости потока по блокам снизилась с 1,37 м/с (в варианте PV-3) до 1,25 м/с (в варианте PV-4), а значения коэффициента неравномерности а (1,05 и 1,06, соответственно) находятся в пределах погрешности их определения.

На пятом этапе эксперимента исследовалась модель Perspex в варианте PV-5 (с дополнительным перфорированным листом, установленном на перекрытии сепарационных блоков) при подаче воздухо-водяной смеси. Цель эксперимента – визуальное исследование пространственного распределения воздухо-водяного потока в модели и оценка эффективности сепарационных элементов. Влагосодержание смеси на входе в модель составляло (по оценке автора) примерно 3310–3 кг/кг при расходе распыляемой в воздушный поток воды в количестве 0,83 кг/с.

Анализ видеоматериалов, приложенных к [51], показал (см. рисунок 2.10), что уже на входе в модель имеет место существенная неоднородность воздухо-водяной смеси (см. рисунок 2.10, а), и дисперсная фаза (вода) сконцентрирована на нижней образующей входного патрубка. По мнению автора, это можно объяснить недостаточно тонким распылом воды форсунками. Также, обращает внимание наличие мощных вихрей на входе в сепарационные блоки 1 и 12 (см. рисунок 2.10, б) и менее мощного вихря перед блоком 8 (см. рисунки 2.10, в и 2.10, г). Наличие вихрей указывает на особенности аэродинамики воздушного потока в модели.

Эффективность сепарационных элементов оценивалась количеством (долей) отсепарированной в модели воды. Схема сбора отсепарированной влаги приведена на рисунке 2.3.

Распределение собранной в модели Perspex PV-5 влаги приведено в таблице 2.5.

Вычислительный эксперимент на натурной модели

Для дальнейших исследований были построены восемь вариантов моделей сепарационной части СПП-500-1 (в масштабе 1:1 к натурным аппаратам), различающиеся по аналогии со стендовыми моделями Perspex (см. таблицы 2.1–2.3) составом (наличием либо отсутствием дырчатого листа на перекрытии сепарационных блоков) и характеристиками сепарационных элементов (схемой и степенью перфорации дырчатых листов, установленных перед пакетами Powervane), а также углом подвода рабочей среды во входную камеру сепаратора ( = 0 и = 28). Конструктивные особенности моделей приведены в таблице 3.2.

Расчетная сетка моделей с = 0 (модификации PV-10, PV-20, PV-30 и PV-40) состояла из 7404776 элементов (см. рисунок 3.1, б), а моделей с = 28 (модификации PV-11, PV-21, PV-31 и PV-41) – из 7872544 элементов; средний размер элементов составил примерно 35 мм.

Исследования проводились на воздухе и влажном паре.

В расчетах моделировалась работа СПП на номинальной нагрузке с объемным расходом рабочей среды 65,4 м3/с, что соответствовало массовому расходу влажного пара 141,9 кг/с при его проектных параметрах (давлении 334 кПа и температуре 137С); массовый расход воздуха определялся с поправкой на плотность (при атмосферном давлении и температуре 25С).

В качестве граничных условий на входе задавался массовый расход, влагосодержание и температура среды, а на выходе – давление (334 кПа).

Некоторые фрагменты результатов вычислительного эксперимента в графическом виде (линии тока рабочей среды в моделях) приведены в Приложении В.1. Результаты первичной обработки данных численного моделирования (распределение потоков и объемных долей влаги по сепарационным блокам) отражены в виде графиков в Приложении В.2; результаты обобщения расчетных исследований приведены в таблице В.1 (в Приложении В.2) и таблицах 3.3 и 3.4.

Серия расчетов на воздухе (результаты которых приведены в таблице В.1) была выполнена для оценки влияния масштабного фактора, Сравнение результатов (в части расчетного определения коэффициента неравномерности распределения потока по сепарационным блокам а), полученных на моделях в масштабе 1:1 и 1:4 в вариантах с углом подвода потока к СПП = 0, показало (см. рисунок 3.4) на отсутствие заметного влияния масштабного фактора на результаты расчетов.

Анализ графического материала результатов численного моделирования (линий тока и векторного поля скоростей рабочей среды) позволил выявить особенности течений и проблемные места в проточной части сепаратора. Так, на входе в сепарационные блоки, расположенные вблизи от входного патрубка модели, наблюдались мощные вихревые зоны (типичный пример приведен на рисунке 3.5, б); аналогичная картина наблюдалась и в стендовых опытах на воздухо-водяной смеси (см. рисунок 3.5, а).

В исследованиях на влажном паре ставилась задача оценить влияние конструктивных особенностей (степени перфорации листов на входе в сепарационные блоки, угла подвода среды к модели и наличие дырчатого листа на перекрытии сепарационных блоков) на равномерность распределения потока и степень осушки пара в сепарационных блоках, а также сопротивление аппарата. Результаты обобщения расчетных исследований приведены в таблицах 3.3 и 3.4.

Анализ результатов расчетов с учетом зависимости (3.1) позволил сделать вывод о том, что снижение коэффициента а в большей степени повлияло на снижение динамического напора, который зависит от квадрата скорости v, и, соответственно, на сопротивление аппарата p, нежели повышение коэффициента .

Вычислительный эксперимент с моделями PV-40 и PV-41, соответствующими по конструкции натурным аппаратам, показал, что (по сравнению с вариантами моделей PV-30 и PV-31) дополнительный лист, установленный на перекрытии сепарационных блоков, повышает коэффициент неравномерности а в пределах 11–13%, степень осушки пара y на 0,1–2,5% и гидравлическое сопротивление аппарата в пределах от 25 до 35% (большие значения в указанных пределах соответствуют сравнению моделей PV-30 и PV-40 с углами = 0).

Изменение угла подвода среды к входному патрубку в пределах от 0 до 28 (сравнение моделей PV-40 и PV-41) приводит к росту коэффициента неравномерности а (на 2,5 %), ухудшению степени осушки пара (примерно на 5%) и повышению гидравлического сопротивления аппарата в 1,3 раза.

Расчетные значения гидравлического сопротивления моделей PV-40 (9,32 кПа) и PV-41 (12,37 кПа) оказалось выше проектного значения (6,46 кПа), приведенного в руководящих материалах [59] для типовой (не модернизированной) конструкции аппарата, примерно в 1,4 и 1,9 раз, соответственно. К сожалению, экспериментальных данных о сопротивлении модернизированных СПП в условиях эксплуатации автору найти не удалось.

Сравнение результатов вычислительного эксперимента с измерениями на промышленных аппаратах ЛАЭС по величине остаточной влажности осушенного пара в СПП показало удовлетворительное согласование расчета с опытом (см. таблицы В.2 и В.3 в Приложении В.2 и рисунок 3.7). Так, усредненное (по шести блокам, см. рисунок 3.7, а) значение влажности составило: 0,59% - по результатам измерений на СПП-74 и 0,675% - по расчету, из чего получаем абсолютную величину отклонения расчета от опыта, равную 0,085%, что соответствует относительной величине 14,4%. Сравнение на другом аппарате (см. рисунок 3.7, б) дало следующие значения влажности: 0,603% - по результатам измерений на СПП-71 и 0,742% - по расчету, из чего получаем абсолютную величину отклонения расчета от опыта, равную 0,139%, что соответствует относительной величине 23,1%.

Вычислительный эксперимент на натурной модели

Для дальнейших исследований было построено шесть геометрических моделей сепарационной части СПП-500-1 (в масштабе 1:1 к натурным аппаратам), различающихся (как и стендовые модели А, В и С) конструктивным исполнением (наличием или отсутствием завихрителя и перфорированных разделителей) и углами подвода рабочей среды к входному патрубку СПП ( = 0 и = 28). Конструктивные особенности моделей приведены в таблице 3.7.

Количество элементов в расчетных сетках моделей с = 0 составило: 1528423 – для исполнения А0, 1690614 – для исполнения В0 и 1432027 – для исполнения С0, а с = 28: 1540151 – для исполнения А1, 1702342 – для исполнения В1 и 1522779 – для исполнения С1; средний размер элементов составил примерно 60 мм.

Исследования проводились на воздухе и влажном паре.

В расчетах моделировалась работа СПП на номинальной нагрузке с объемным расходом рабочей среды 65,4 м3/с, что соответствовало массовому расходу влажного пара 141,9 кг/с при его проектных параметрах (давлении 334 кПа и температуре 137С); массовый расход воздуха определялся с поправкой на плотность (при атмосферном давлении и температуре 25С).

В качестве граничных условий на входе задавался массовый расход, влагосодержание и температура среды, а на выходе – давление среды (334 кПа). На рисунке 3.10 представлены изображения моделей сепарационной части СПП с заданными граничными условиями.

Некоторые фрагменты результатов вычислительного эксперимента в графическом виде (линии тока рабочей среды в моделях) приведены в Приложении Г.1. Результаты первичной обработки данных численного моделирования (распределение потоков и объемных долей влаги по сепарационным блокам) отражены в виде графиков в Приложении Г.2; результаты обобщения расчетных исследований приведены в таблице Г.1 (в Приложении Г.2) и таблицах 3.8 и 3.9.

Серия расчетов на воздухе (результаты которых приведены в таблице Г.1) была выполнена для оценки влияния масштабного фактора, Сравнение результатов (в части расчетного определения коэффициента неравномерности распределения воздушного потока по блокам а), полученных на моделях в масштабе 1:1 и 1:4 в вариантах с углом подвода потока к СПП = 28, показало (см. рисунок 3.11) на отсутствие заметного влияния масштабного фактора на результаты расчетов.

Сопоставление результатов моделирования на воздухе и влажном паре (в части изменения коэффициента неравномерности распределения потоков по блокам а) показало (рисунок 3.12), что физические свойства моделируемой среды в данном случае не оказывают заметного влияния на расчет.

Результаты моделирования, представленные в графическом виде (рисунки Г.3 и Г.4 в Приложении Г.1 – с линиями тока влажного пара и рисунок 3.13 – в качестве примера векторного поля скоростей), позволили детально изучить гидродинамику сепаратора и ее изменение в зависимости от конструктивного исполнения СПП. Так, например, на рисунке 3.13 видна неравномерность векторного поля скоростей влажного пара на входе в сепарационные блоки. Так же, в объеме входной камеры сепаратора были обнаружены вихревые области вблизи входного патрубка.

Обобщение данных вычислительного эксперимента на влажном паре показало следующие результаты:

1. Завихритель (предварительный сепаратор Powersep), установленный на входе в СПП, по сравнению с исходным вариантом сепаратора до модернизации (в исполнении А) повышает неравномерность распределения потоков по блокам (коэффициент а) с 1,15 до 1,17 (примерно на 1,5%) при = 0 и с 1,11 до 1,33 (примерно на 20%) при = 28; увеличивает сопротивление аппарата (p) примерно в 4 раза при = 0 и примерно в 3,5 раз при = 28; при этом повышает степень осушки пара, снижая влажность пара после сепаратора (y) с 1,37–1,38 до 0,96–0,97, что удовлетворяет требованиям (не более 1%). Предварительный сепаратор Powersep снижает влажность пара с 15 до 9,1–9,5%, что соответствует примерно 40% от общего количества уловленной влаги в СПП.

2. Установка дополнительных перфорированных разделителей на перекрытии сепарационных блоков по сравнению с вариантом сепаратора В существенно снижает неравномерность распределения потоков по сепарационным блокам (коэффициент а) с 1,17 до 1,07 (примерно на 9%) при = 0 и с 1,33 до 1,09 (примерно на 18%) при = 28; при этом сопротивление аппарата возрастает до почти 28 кПа (примерно на 12%) при = 0 и до примерно 35 кПа (примерно на 9%) при = 28; однако степень осушки пара (по показателю y) улучшается и достигает 0,84–0,85%. 3. Угол подвода потока к входному патрубку СПП существенно влияет на неравномерность распределения потоков по сепарационным блокам в варианте СПП с предсепаратором Powersep (в исполнении В), что наглядно демонстрирует рисунок Г.6 в Приложении Г.2. Так, изменение угла с 0 до 28 приводит к резкому росту коэффициента а – с 1,17 до 1,33 (почти на 15%), в то время как для вариантов исполнения А и С при аналогичном изменении угла коэффициент а изменяется в пределах 2–4%. Существенно влияет угол на сопротивление сепаратора; при изменении от 0 до 28 сопротивление повышается примерно в 1,5 раз для исходного варианта А и примерно в 1,3 раза для вариантов В и С. На степень осушки пара угол практически не влияет.

Сравнение результатов вычислительного эксперимента на натурных моделях СПП-500-1 на влажном паре приведено в сводных таблицах 3.10 и 3.11, из которых видно, что наилучший показатель осушки пара имеют варианты сепаратора с жалюзийными пакетами Powervane (PV-40 и PV-41): y = 0,71–0,74%. Эти же варианты по сравнению с моделями С0 и С1 имеют приемлемое сопротивление: p = 9,32 кПа (для PV-40) и p = 12,37 кПа (для PV-41).